直流斩波电路.ppt

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电力电子技术,河南理工大学电气学院,朱艺锋Email:

PowerElectronicsTechnology,第3章直流-直流变换电路,好学力行,河南理工大学,明德任责,内容提要,3.1直接DC/DC变换器3.2变压器隔离型DC/DC变换器3.3软开关技术及带软开关的谐振型DC/DC变换器,引言,将固定的直流电压变换成可调的直流电压称为DC/DC变换或直流斩波。

具有这种DC/DC变换功能的电力电子装置，称为DC/DC变换器（DC/DCConverter）广泛应用于直流电动机调速、蓄电池充电、开关电源等方面。

AC/DC变换中，还可采用不控整流加直流斩波调压方式替代晶闸管相控整流，以提高变流装置的输入功率因数。

第3章直流-直流变换电路,引言2,DC/DC变换器按结构不同可分为直接DC/DC变换器和变压器隔离型DC/DC变换器。

DC/DC变换器按工作原理不同可分为谐振型和非谐振型两大类。

谐振型DC/DC变换器利用软开关技术，控制开关器件在开、关瞬间所承受的电压或电流为零，从而降低开关损耗，提高变换效率，并有利于进一步提高开关频率。

第3章直流-直流变换电路,3.1直接DC/DC变换器,3.1.1降压斩波电路3.1.2升压斩波电路3.1.3升降压斩波电路3.1.4Cuk斩波电路3.1.5Sepic斩波电路3.1.6Zeta斩波电路,3.1.1降压斩波电路（Buk变换器）,1.电路结构,3.1直接DC/DC变换器,图3-降压斩波电路的原理图,3.1.1降压斩波电路,工作原理,图3-2降压斩波电路的原理图及波形,t=0时刻驱动V导通，VD承受反压而关断；电源E向负载供电，负载电压uo=E，负载电流io按指数曲线上升。

t=t1时控制V关断，二极管VD续流，负载电压uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降。

通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。

动画演示,iL,数量关系,电流连续方式：

负载电压平均值：

TonV通的时间；toffV断的时间；T斩波周期；导通占空比,电流断续：

Uo被抬高，一般不希望出现。

负载电流平均值：

3.1.1降压斩波电路,三种控制方式：

定频调宽：

T不变，变ton脉冲宽度调制（PWM）；定宽调频：

ton不变，变T频率调制；调宽调频：

ton和T都可调混合型。

此种方式应用最多,调制方式（控制方式）：

改变占空比,3.1.1降压斩波电路,同样可以从能量传递关系出发进行的推导,由于L为无穷大，故负载电流维持为Io不变,电源只在V处于通态时提供能量，为,在整个周期T中，负载消耗的能量为,输出功率等于输入功率，可将降压斩波器看作直流降压变压器（升流）。

一周期中，忽略损耗，则电源提供的能量与负载消耗的能量相等。

I1平均值,3.1.1降压斩波电路,电感电流断续工作模式：

图3-降压电路电流临界连续工作模式下的工作波形,判断降压型电路中电感电流连续与否的临界条件。

电感电流临界连续时的电流均值为：

电感电流连续的临界条件为：

3.1.1降压斩波电路,3.1.2升压斩波电路,升压斩波电路（BoostChopper）,电路结构,1）升压斩波电路的基本原理,S导通时，L储能；电容给负载供电；S关断时，L释放能量，电源与uL一起给电容充电，并给负载供电。

3.1.2升压斩波电路,2）升压斩波电路的输入输出关系,电感L在一个开关周期T上的平均感应电压为0，因此：

升压,升压斩波电路之所以能够升压的原因：

一是电感L储能之后具有使电压泵升的作用，二是电容C可将输出电压保持住。

3）电感电流断续工作模式：

判断升压型电路中电感电流连续与否的临界条件。

电感电流临界连续时VD的电流均值为：

电感电流连续的临界条件为：

二极管VD电流的开关周期平均值ID等于负载电流平均值Io。

3.1.2升压斩波电路,2）升压斩波电路典型应用,一是用于直流电动机传动二是用作单相功率因数校正（PFC）电路,t,t,T,E,i,O,O,b）,a）,i,1,i,2,I,10,I,20,I,10,t,on,t,off,u,o,图5-3用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形a）电路图b）电流连续时c）电流断续时,用于直流电动机传动再生制动时把电能回馈给直流电源。

电动机电枢电流连续和断续两种工作状态。

直流电源的电压基本是恒定的，不必并联电容器。

动画演示。

3.1.2升压斩波电路,3.1.3升降压斩波电路,升降压斩波电路（buck-boostChopper）,电路结构,利用“电感两端电压在一个开关周期内的平均值为零”的规律可得,0D1/2，降压,1/2D1，升压,输出与输入反极性,3.1.3升降压斩波电路,升降压斩波电路（buck-boostChopper）,电路结构,电感电流连续与否的临界条件为：

应用：

升降压型电路可以灵活地改变电压的高低，还能改变电压极性，因此常用于电池供电设备中产生负电源的电路，还用于各种开关稳压器中。

3.1.4Cuk斩波电路,Cuk斩波电路,电路工作稳定条件下，S通时，UdLSUd回路和C1SRL1C1回路有电流。

S断时，UdLC1VDUd回路和L1VDRL1回路有电流。

输出电压的极性与电源电压极性相反。

图3-14Cuk电路电流连续工作时的电路状态a）电路状态1（S通）b）电路状态2（S断）,数量关系,优点（与升降压斩波电路相比）：

输入电源电流和输出负载电流都是连续的，且脉动很小，有利于对输入、输出进行滤波。

但电路较复杂。

3.1.4Cuk斩波电路,设两个电感电流都连续，分别计算电感L和L1的两端电压在一个开关周期内的平均值为：

联立方程，消去UC1，可得Cuk电路输出电压与输入电压比为,3.1.4Cuk斩波电路,负载电流很小时，电路中的电感电流将不连续，电压比的公式不再满足式，输出电压|Uo|DUd/（1-D），且负载电流越小，|Uo|越高。

输出空载时，|Uo|，故Cuk型电路不应空载，否则会产生很高的电压而损坏电路中的元器件。

Zeta斩波电路,Sepic斩波电路,3.1.7复合斩波电路,1）电流可逆斩波电路2）桥式可逆斩波电路,复合斩波电路降压斩波电路和升压斩波电路组合构成,斩波电路用于驱动直流电动机时，常要使电动机既可电动运行，又可再生制动。

降压斩波电路能使电动机工作于第1象限。

升压斩波电路能使电动机工作于第2象限。

电流可逆斩波电路：

降压斩波电路与升压斩波电路组合。

此电路电动机的电枢电流可正可负，但电压只能是一种极性，故其可工作于第1象限和第2象限。

电流可逆斩波电路,1）电流可逆斩波电路,电路结构,a）电路图,V1和VD1构成降压斩波电路，电动机为电动运行，工作于第1象限。

V2和VD2构成升压斩波电路，电动机作再生制动运行，工作于第2象限。

必须防止V1和V2同时导通而导致的电源短路。

工作过程,三种工作方式：

降压、升压、交替降压和升压（图3-19b）；第1象限，降压斩波，电动状态，调压调速；第2象限，升压斩波，发电状态，再生制动，减速。

图3-19电流可逆斩波电路及波形,2）桥式可逆斩波电路,桥式可逆斩波电路两个电流可逆斩波电路组合起来，分别向电动机提供正向和反向电压，实现四象限运行。

使V4保持通时，等效为图5-7a所示的电流可逆斩波电路，提供正电压，可使电动机工作于第1、2象限。

使V2保持通时，V3、VD3和V4、VD4等效为又一组电流可逆斩波电路，向电动机提供负电压，可使电动机工作于第3、4象限。

图3-19电流可逆斩波电路可实现第1、2象限运行,图3-22桥式可逆斩波电路可实现第3、4象限运行,组合,直流脉宽调速与V-M调速区别：

直流脉宽调速,直流V-M调速,主电路线路简单，需要的功率元件少；开关频率高，电流容易连续，谐波少，电动机损耗和发热都很小；低速性能好，稳速精度高，因而调速范围宽；系统快速响应性能好，动态抗干扰能力强；主电路元件工作在开关状态，导通损耗小，装置效率高；直流电源采用不可控三相整流时，电网功率因数高。

直流脉宽调速：

直流脉宽调速与V-M调速区别：

小结,重点：

1）降压斩波的工作原理、波形分析、输入输出关系及应用；2）升压斩波的工作原理、波形分析、输入输出关系及应用；3）升降压斩波、Cuk斩波、Sepic和Zeta的输入输出关系推导；4）电流可逆斩波电路和桥式斩波电路的分析。

3.1直接DC-DC变换器,3.2变压器隔离型DC-DC变换器,3.2.1正激电路3.2.2反激电路3.2.3半桥电路3.2.4全桥电路3.2.5推挽电路3.2.6全波整流和全桥整流3.2.7开关电源,同直接DC/DC变换器相比，电路中增加了交流环节，因此也称为直交直电路。

采用这种结构较为复杂的电路来完成直流直流的变换有以下优势：

输出端与输入端之间电气隔离。

可实现相互隔离的多路输出。

输出电压与输入电压的比例远小于1或远大于1。

交流环节采用较高的工作频率，可以减小变压器和滤波电感、滤波电容的体积和重量，实现电源的小型化。

3.2变压器隔离型DC-DC变换器,3.2变压器隔离型DC-DC变换器,根据电路知识，对电感、电容和变压器二次侧可写出其电压或电流方程：

可以看出，在电压和电流不变的条件下，工作频率越高，则所需滤波电感的电感值越小，所需滤波电容的电容值也越小；同时，工作频率越高，则所需变压器的绕组匝数越少，所需铁心的横截面积也越小。

因此，通过提高工作频率也可以使滤波电感、滤波电容和变压器的体积和重量显著降低。

由于是高频工作，电路中的可控开关一般用MOSFET或IGBT，高频整流电路中用快恢复二极管或肖特基二极管。

较高的工作频率，可以减小变压器和滤波电感、滤波电容的体积的原因：

令t=TS/n（n2）,按能量传递的工作方式分正激和反激电路：

单端电路：

变压器中流过的是直流脉动电流。

常用于小功率电源变换。

双端电路：

变压器中的电流为正负对称的交流电流。

铁芯的利用率高，常用于大功率领域。

正激电路：

开关管导通时，电源将能量直接传送至负载。

反激电路：

开关管导通时，电源将电能转为磁能储存在电感中，当开关管阻断时再将磁能变为电能传送至负载。

变压器隔离型的DC/DC变流电路分两大类：

按变压器中流过的电流性质分为：

3.2变压器隔离型DC-DC变换器,3.2.1正激电路,开关S开通后，变压器绕组W1两端的电压为上正下负，与其耦合的W2绕组两端的电压也是上正下负。

因此VD1处于通态，VD2为断态，电感L的电流逐渐增长；S关断后，电感L通过VD2续流，VD1关断。

变压器的励磁电流经N3绕组和VD3流回电源，所以S关断后承受的电压为：

1）正激电路（Forward）的工作过程,2）变压器的磁心复位,开关S开通后，变压器的激磁电流由零开始，随时间线性的增长，直到S关断。

为防止变压器的激磁电感饱和，必须设法使激磁电流在S关断后到下一次再开通的时间内降回零，这一过程称为变压器的磁心复位。

复位电路：

VD3和线圈W3。

变压器的磁心复位时间为（折算到复位电路）,3.2.1正激电路,激磁,退磁,S处于断态的时间必须大于trst，使变压器磁芯可靠复位。

3）输出电压,3.2.1正激电路,在输出滤波电感电流连续的情况下，利用“电感电压uL在一个开关周期内的平均值为零”的原理，得,电感电流断续时，输出电压Uo将随负载电流减小而升高，在负载电流为零的极限情况下，UoUdN2/N1。

（uL=Uo的时间小于toff）,经过与前面降压型电路相似的推导过程，可得电感电流临界连续的条件：

输入输出电压比可看成是，将输入电压Ud按电压比折算至变压器二次侧后根据降压型电路得到的。

后面将要提到的半桥型、全桥型和推挽型电路也是如此。

3.2.2反激电路,1）反激电路的工作过程：

图3-27反激电路原理图,S开通后，VD处于断态，W1绕组的电流线性增长，电感储能增加；S关断后，W1绕组的电流被切断，变压器中的磁场能量通过W2绕组和VD向输出端释放。

图3-28反激电路电流连续时的工作波形,2）反激电路的工作模式：